DE102011112924A1 - Double excited synchronous machine - Google Patents

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Abstract

Eine elektrische Synchronmaschine wird beschrieben, in deren Ständernuten zumindest zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Polpaarzahlen, und in deren Läufernuten zumindest zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Polpaarzahlen vorhanden sind. Eine Läuferwicklung kann über einen Gleichrichter an eine andere Läuferwicklung angeschlossen sein. Eine Ständerwicklung kann über einen Gleichrichter an eine andere Ständerwicklung angeschlossen sein.An electric synchronous machine is described, in whose stator slots at least two windings with different pole pair numbers, and in the rotor grooves of which there are at least two windings with different pole pair numbers. A rotor winding may be connected via a rectifier to another rotor winding. A stator winding may be connected via a rectifier to another stator winding.

Description

Seit mehr als 100 Jahren befinden sich Synchronmaschinen im Einsatz, und zwar überwiegend als Generatoren der elektrischen Energie, Dank ihrer Eigenschaft, sowohl Wirk-, als auch Blindleistung erzeugen zu können. Nichtsdestotrotz werden Synchronmaschinen zunehmend als Motoren eingesetzt, insbesondere nach der Erfindung von Seltenerdenpermanentmagneten, die es ermöglichen, besonders effiziente Motoren zu bauen. Solche Motoren finden umfangreiche und zahlreiche Anwendungen in der Industrie (von Servomotoren bis zu großen Antriebsmotoren), in der Fahrzeugtechnik (Antriebsmotoren für Schienenfahrzeuge und elektrische Automobile) usw.Synchronous machines have been used for more than 100 years, mainly as generators of electrical energy, thanks to their ability to produce both active and reactive power. Nonetheless, synchronous machines are increasingly being used as motors, in particular according to the invention of rare earth permanent magnets, which make it possible to build particularly efficient motors. Such motors find extensive and numerous applications in the industry (from servomotors to large drive motors), in automotive engineering (drive motors for rail vehicles and electric automobiles), etc.

Synchrongeneratoren mit Seltenerdenpermanentmagneten finden zahlreiche Anwendungen in der elektrischen Energieerzeugung, wie z. B. in der Windenergie, wo sie die mechanische Energie des Windes mit einem hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umwandeln.Synchronous generators with rare earth permanent magnets find numerous applications in electrical power generation, such. As in wind energy, where they convert the mechanical energy of the wind with high efficiency into electrical energy.

Herkömmliche Synchronmaschinen mit Erregerwicklung werden i. d. R. so gebaut, dass sich die Erregerwicklung im Rotor befindet. Um die Erregerwicklung mit Strom einspeisen zu können, benötigen solche Maschinen Schleifringe, die wartungsintensiv sind und den Einsatz von Synchronmaschinen in gefährlichen Atmosphären beschränken.Conventional synchronous machines with exciter winding i. d. R. built so that the excitation winding is located in the rotor. In order to be able to supply current to the excitation winding, such machines require slip rings which are maintenance-intensive and limit the use of synchronous machines in hazardous atmospheres.

Die mit der Anwendung von Schleifringen gebundenen Probleme lassen sich durch Einsatz von Permanentmagneten beseitigen. Allerdings hat eine permanentmagneterregte Synchronmaschine auch zahlreiche Nachteile; von den wirtschaftlichen, über die fertigungstechnischen bis zu den elektromagnetischen.The problems associated with the use of slip rings can be eliminated by using permanent magnets. However, a permanent-magnet synchronous machine also has numerous disadvantages; from the economic, through the manufacturing technology to the electromagnetic.

Es scheint deshalb sinnvoll, die Vorteile beider Lösungen – kontaktlose und regelbare Erregung – in einer neuen Maschinenart miteinander zu kombinieren und gleichzeitig ihre Nachteile zu minimieren. Dies lässt sich mithilfe einer doppelterregten Synchronmaschine realisieren. Werden die Ständer- und/oder Läuferwicklungen einer doppelterregten Synchronmaschine als Bruchlochwicklungen ausgeführt, kann eine solche Maschine zahlreiche Synchrondrehzahlen bei konstanter Einspeisefrequenz haben und in drehzahlvariablen Antrieben eingesetzt werden, ohne einen Umrichter zu gebrauchen, wie z. B. als Wind- oder Wasserkraftgenerator usw.It therefore makes sense to combine the advantages of both solutions - contactless and controllable excitement - in a new type of machine while minimizing their disadvantages. This can be realized by means of a double-excited synchronous machine. If the stator and / or rotor windings of a double-excited synchronous machine are designed as broken-hole windings, such a machine can have numerous synchronous speeds at a constant supply frequency and be used in variable-speed drives, without using a converter, such. B. as a wind or hydropower generator, etc.

Eine doppelterregte Synchronmaschine trägt in den Ständernuten eine Erregerwicklung mit q Polpaaren und eine Ankerwicklung mit p Polpaaren. In den Läufernuten trägt sie eine Erregerwicklung mit p Polpaaren und eine Ankerwicklung mit q Polpaaren. Die Ankerwicklung auf der Läuferseite ist über einen Gleichrichter an die Läufererregerwicklung angeschlossen.A double-excited synchronous machine carries in the stator slots an exciter winding with q pole pairs and an armature winding with p pole pairs. In the rotor grooves, it carries a field winding with p pole pairs and an armature winding with q pole pairs. The armature winding on the rotor side is connected to the rotor excitation winding via a rectifier.

Der Ständererregerstrom erzeugt eine stationäre Durchflutung mit q Polpaaren im Luftspalt einer doppelterregten Synchronmaschine. Die Ständerdurchflutung induziert in der Läuferankerwicklung mit q Polpaaren Wechselspannungen mit bestimmter Frequenz, Amplituden und Phasenverschiebungen. Die Ständerdurchflutung induziert in der Läufererregerwicklung mit p Polpaaren keine Spannungen.The stator excitation current generates a steady-state flux with q pole pairs in the air gap of a double-excited synchronous machine. In the armature armature winding with q pairs of poles, the stator flux induces alternating voltages with specific frequencies, amplitudes and phase shifts. The stator flux does not induce any voltages in the rotor exciter winding with p pole pairs.

Die induzierten Spannungen in der Läuferankerwicklung werden über einen Gleichrichter an die Läufererregerwicklung mit p Polpaaren angeschlossen und erzeugen einen Läufererregerstrom in der Läufererregerwicklung mit p Polpaaren. Der Läufererregerstrom erzeugt im Luftspalt einer doppelterregten Synchronmaschine eine Duchflutung, welche relativ zum Läufer steht und sich relativ zum Ständer mit der mechanischen Drehzahl des Läufers dreht.The induced voltages in the rotor armature winding are connected via a rectifier to the rotor excitation winding with p pole pairs and generate a rotor exciting current in the rotor exciter winding with p pole pairs. The rotor excitation current generated in the air gap of a double-excited synchronous machine Dbl flooding, which is relative to the rotor and rotates relative to the stator with the mechanical speed of the rotor.

Die rotierende Läuferdurchflutung mit p Polpaaren induziert in der Ständerankerwicklung mit p Polpaaren Wechselspannungen mit bestimmter Frequenz, Amplituden und Phasenverschiebungen. Die Läuferdurchflutung induziert in der Ständererregerwicklung mit q Polpaaren keine Spannungen.The rotating rotor flux with p pole pairs induced in the stator armature winding with p pole pairs AC voltages with specific frequency, amplitudes and phase shifts. The rotor flux induces no voltages in the stator excitation winding with q pole pairs.

Eine jede Änderung des Ständererregerstromes wird mit einer Änderung der Ständerankerspannung induziert.Any change in stator excitation current is induced with a change in stator armature voltage.

stellt eine doppelterregte Synchronmaschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip schematisch dar. Die Ständererregerwicklung 1 teilt gemeinsam mit der Ständerankerwicklung 9 die Ständernuten der Maschine. Die Läuferankerwicklung 2 teilt gemeinsam mit der Läufererregerwicklung 4 die Läufernuten. Die Läuferankerwicklung ist über den Gleichrichter 5 an die Läufererregerwicklung angeschlossen. schematically illustrates a double-excited synchronous machine according to the proposed principle. The stator excitation winding 1 shares with the stator anchor winding 9 the stator slots of the machine. The rotor armature winding 2 shares with the rotor exciter winding 4 the runners grooves. The rotor armature winding is above the rectifier 5 connected to the rotor excitation winding.

stellt eine weitere Variante der doppelterregten Synchronmaschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip schematisch dar. Die Ständererregerwicklung 7 teilt gemeinsam mit der Ständerankerwicklung 9 die Ständernuten der Maschine. Die Läuferankerwicklung 6 teilt gemeinsam mit der Läufererregerwicklung 8 die Läufernuten. Die Ständerankerwicklung ist über den Gleichrichter 10 an die Ständererregerwicklung angeschlossen. represents a further variant of the double-excited synchronous machine according to the proposed principle schematically. The stator excitation winding 7 shares with the stator anchor winding 9 the stator slots of the machine. The rotor armature winding 6 shares with the rotor exciter winding 8th the runners grooves. The stator armature winding is above the rectifier 10 connected to the stator excitation winding.

Claims (7)

Eine Synchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in ihren Ständernuten zumindest zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Polpaarzahlen und in ihren Läufernuten zumindest zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Polpaarzahlen vorhanden sind, wobei eine Läuferwicklung mit einer Polpaarzahl über einen Gleichrichter an eine Läuferwicklung mit einer anderen Polpaarzahl angeschlossen ist.A synchronous machine, characterized in that in their stator slots at least two windings with different pole pairs and in their rotor grooves at least two windings are present with different pole pair numbers, wherein a rotor winding is connected with a number of pole pairs via a rectifier to a rotor winding with a different pole pair number. Eine Synchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in ihren Ständernuten zumindest zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Polpaarzahlen und in ihren Läufernuten zumindest zwei Wicklungen mit unterschiedlichen Polpaarzahlen vorhanden sind, wobei eine Ständerwicklung mit einer Polpaarzahl über einen Gleichrichter an eine Ständerwicklung mit einer anderen Polpaarzahl angeschlossen ist.A synchronous machine, characterized in that in their stator slots at least two windings with different Polpaarzahlen and in their rotor grooves at least two windings with different pole pairs are present, wherein a stator winding is connected with a pole pair via a rectifier to a stator winding with a different pole pair number. Eine Synchronmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie mit kleinem Rotorträgheitsmoment gebaut wird und dadurch für die Verwendung als Servomotor gut geeignet ist.A synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that it is built with a small rotor moment of inertia and is therefore well suited for use as a servomotor. Eine Synchronmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie mit hoher Leistungsdichte gebaut wird und dadurch für Verwendungen z. B. in der Fahrzeug-, insbesondere Automobilindustrie gut geeignet ist.A synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that it is built with high power density and characterized for uses z. B. in the automotive, especially the automotive industry is well suited. Eine Synchronmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie mit hoher Polpaarzahl gebaut wird und dadurch für Verwendungen als Direkt-Drive Generator in der Windenergieerzeugung besonders geeignet ist.A synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that it is built with a high number of pole pairs and is therefore particularly suitable for uses as a direct drive generator in wind power generation. Eine Synchronmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie mit hoher Polpaarzahl gebaut wird und dadurch für Verwendungen als Generator in der Wasserkraftenergieerzeugung besonders geeignet ist.A synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that it is built with a high number of pole pairs and is therefore particularly suitable for uses as a generator in the hydropower production. Eine Synchronmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie mit niedriger Polpaarzahl gebaut wird und dadurch für Verwendungen als über ein Getriebe angetriebener Generator in der Windenergieerzeugung besonders geeignet ist.A synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that it is built with a low number of pole pairs and is therefore particularly suitable for uses as a gear-driven generator in wind power generation.
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